技术与设计：关注环境的设计模式

宋晔皓/SONG Yehao

技术与设计：关注环境的设计模式

宋晔皓/SONG Yehao

本文挖掘了技术和设计结合的建筑师案例。在明确环境意义的前提下，阐述了经由奥格雅、班哈姆和霍克斯三人研究提出和完善的两种环境设计模式：环境排斥型设计和环境选择型设计，并指出环境选择型设计是关注环境的建筑师应该采用的模式。

技术，设计，环境排斥型，环境选择型，环境责任

国家自然基金面上项目（课题编号：51278262）

1 绪言

应对气候和环境，是建筑必须要解答的基本问题。19世纪技术的发展，例如，供热通风设备的普及，促进了建筑环境的发展和转变。建筑环境的重要性得到人们的重视，建筑学不再仅指空间、结构、建造，环境也成为其重要的组成元素，其对建筑品质、节约能源等方面的影响日增。如何获得应对气候和环境条件的适宜建筑环境？这个问题的解答逐渐因为技术手段的发展而多样化，再也不是被动地适应气候，还存在人工的调节。对于建筑而言，随之而来的是设计与技术既密切合作，又存在语言障碍的漫漫交流历程。

在今天大力推广绿色建筑的中国，建筑师困惑于设计和技术的结合，困惑于关注环境设计的模式。其实国外建筑师同行也曾面对同样的困惑：技术在设计中当如何表达？如何实现对环境负责的设计？

2 建筑环境技术的设计表达

关于技术的一个极端的说辞来自路易斯·康，他曾讲：“我不喜欢管井和各种管线，甚至非常之憎恶它们”。好在他又接着说：“可我还是认为要给它们合理的位置，如果仅仅由于憎恶它们而置之不理，它们会把建筑搞得一团糟，甚至会彻底毁掉建筑”[1]。

他的前半句表达了很多建筑师的心声，也表达了设计与技术的语言障碍，但是他的后半句却催生了一种现代建筑系统化的理论和方法，即“服务空间”与“被服务空间”。按照康的说法，这些设备、管道等的“位置”是美学问题，而不是高于一切的技术逻辑。建筑评论界将他的新观点称为“康对于建筑历史最为重要的贡献”[1]。

实际上，尽管国人对每个前现代或者现代建筑中有重要影响的建筑师了解益深，例如，麦金托什的典雅，勒·柯布西耶的才华横溢，密斯的精确和细部，雷沃伦茨、阿斯普隆德、阿尔托的材料和自然，康的理性与技术的结合。我们很少注意到：这些伟大的建筑师不仅是建筑设计的强者，还是技术的驾驭者，从不回避技术发展，甚至争相采用他们时代最为先进、最时髦的技术。只不过对于他们而言，技术表达是设计的重要组成部分，技术也是设计。因为他们经历了一个至为重要的时代，一个技术发展的时代，一个生活质量改变的时代。

宣称只有天才可以完美驾驭曲线的麦金托什这样定义建筑师：建筑师应当从科学技术的角度理解建筑。他的理论多与建筑环境相关，作品在通风、采光领域有重要的试验和研究，并且这些技术都巧妙地与设计结合起来。技术服务于艺术，这种观念曾经是建筑环境发展历史中重要的转折点。他在1909年建成的格拉斯哥艺术学院中采用了新型的通风系统，热风循环起到通风和供热的作用，竖向的通风管道与承重墙相结合，遍布整个建筑，一些房间中还设有铸铁制的散热器。而且他在学院中第一次采用了全新的电力照明方式[2]。

1929年柯布西耶发表了如下观点：“建筑适应气候。这个观念的普及逐渐与技术结合起来，我认为，真正的建筑，即为具有适应性和可调性的建筑”[2]。 1929-1931年他建造的萨伏依别墅采用最新的中央供热系统，不但效率更高，而且解放了许多空间，而壁炉和供热管线经过精心设计，暴露出来。密斯1928-1930年建造的图根哈特住宅，设计了堪称艺术品的供热系统，他弱化和隐藏了住宅中复杂的管线结构，送风井表面下沉了1.5m，室外空气进入起居室之前，要先经过一个净化和增湿的空气处理系统。南墙的两片装配玻璃可以降到窗台线之下，玻璃外侧的百叶可以遮阳，晚上玻璃被丝质窗帘遮挡，这些均起到调节微气候的作用，是典型的采用手工调节和机械系统调节的环境选择型设计案例。业主女儿如此评价密斯：他不仅仅是一位艺术家，还是一位工程师，精通于建筑技术与建筑空间的完美结合。密斯的建筑环境技术设备，例如散热片、风机均通过空间处理遮盖，以满足对极简的追求。但不论勒·柯布西耶还是密斯，都会采用最尖端的科技优化建筑的供热、照明、通风。

雷沃伦茨、阿斯普隆德、阿尔托堪称关注自然和环境的代表，雷沃伦茨在1956-1964年建造的圣马可教区教堂、阿斯普隆德在1918-1927年完成的瑞典国家图书馆、阿尔托在1927-1935年完成的维普里图书馆，都精心设计了完整的自然采光和人工照明系统。瑞典国家图书馆的供热系统采用当时最新的热水和空气双热媒。阿尔托的麦雷亚住宅也采用了当时最为先进的供热系统，大起居室天花板下方是送风管道，为整个空间提供热风。砖墙则与壁炉结合，内含热风管道。热水管道埋于地板下方，位于金属格网之下。建筑外围护结构则很注重与环境的关系，外部气候与室内空间通过外围护结构互相渗透。

如前文所说，康将技术设备在空间中定义为“服务空间”，而将具有表现力的空间定义为“被服务空间”。他的提法解放了建筑中次要弱势的技术设备空间，并赋予其设计的含义。例如，康的理查德医学研究中心设计了独立容纳设备的塔形空间（服务空间），竖向的管网系统穿越其中，这样人们正常使用的空间（被服务空间）保持了连续和完整，而不被设备空间打断。索尔克生物学研究中心则是垂直划分的二者，设备层层高为2.7m，通风管网能够连续地遍布整个建筑而不被打断，同时实验空间也独立于结构和管网设置。埃克塞特图书馆则由角部的4个阶梯形空间容纳管线和设备。金贝尔美术馆的混凝土拱顶结构与平顶相结合，主次对比形成“服务空间”与“被服务空间”，技术手段再次与诗化的空间关系完美融合。[2]

这样的例子还有很多，说明了设计和技术的关系：实际上建筑师的创造力也隐含在处理技术问题中，完全可以寻找到将复杂的技术设备纳入设计的方式。

而且正是由于他们的创造性工作，班哈姆归纳了两种建筑环境设计的模式：环境排斥型和环境选择型。这种归纳得到了霍克斯的发扬[3]。

3 两种建筑环境设计的模式：环境排斥型设计和环境选择型的设计

1963年奥格雅提出了生物气候设计方法，在气候条件、生物气候舒适度和建筑之间，搭建了一座桥梁[4]。他认为从自然环境气候条件，调节到建筑环境稳定舒适要经过3个步骤：1，改善设计地段的微气候；2，建筑师依据人体生物舒适度指标，提出相应的设计策略，改善建筑实体的气候防护；3，通过机械设备调节气候。

吉沃尼在奥格雅的生物气候热舒适条件的基础上增加了吹风感的调节作用，扩大了生物气候舒适区，引领了1960-1970年代关于建筑环境中舒适度的研究[5]，也影响了后来的建筑师，例如杨经文，旗帜鲜明地以生物气候舒适度为设计目标进行建筑设计[6]。

霍克斯认为班哈姆是较早在现代技术条件下思考建筑环境的人[2]。因为后者通过研究恢复了建筑环境功能在建筑理论和建筑实践中的正确地位[1]。

在现代技术条件下，班哈姆认为，创造舒适建筑环境的模式有两种：“环境排斥型”(exclusive)和“环境选择型”（selective）[1]。所谓环境排斥型，是指完全依赖机械系统产生可控的建筑环境，以人工方式进行环境调节，类似于今天依赖主动式设计策略控制环境的建筑。所谓环境选择型，则是指使用周围环境的能源来创建与自然呼应的建筑环境的建筑，类似于今天依赖被动式设计策略的建筑。

对于环境排斥型设计而言，建筑外围护结构隔绝外部气候环境条件的影响，利用建筑内部的技术设备体系完成环境调控的目标，其调控手段是完全通过自动化的集中控制达成，属于人工介入环境控制。通过建筑形式、机械和电力系统的效率体现能源利用的效率，但是常年依赖电能等能源。

对于环境选择型设计而言，则会选择性允许建筑内部环境受外部气候环境条件的影响，例如自然通风、采光，并利用这种可再生的能源减少建筑常规能源的能耗。建筑环境调节则通过自动和手动结合完成，属于自然和人工的混合。建筑的外围护结构是建筑与外部环境之间的过滤器，环境选择型设计的建筑环境可以与外部气候环境条件互动。

二者的设计结果同样也是截然不同，例如，针对建筑师要解决的建筑形态问题，如果采用环境排斥型设计，其目标便是将建筑内部与外部环境隔离开，并塑造一个完全人工的舒适环境，那么建筑的外围护结构的形式和种类、建筑的形态，基本上是可以具有唯一最优解的：一个开口最小、外围护结构高度密闭的建筑，其平面则是进深越大越好，体型系数越小越好。而环境选择型设计则不然，因为有外部环境和建筑的互动，外围护结构将可以更加透明和复杂。平面进深不大的分散性布局的建筑，同样可以因为借助于自然通风和采光等可再生能源，减少常规能源的能耗，同时建筑师可以创造性提出设计对策。

这种分类出现在上世纪能源危机之前，出现在可再生能源利用技术、主动和被动技术普及成熟之前，出现在绿色思潮之前，殊为可贵。

每每看到中国绿色建筑发展大潮中，建筑师强调 “被动优先，主动优化”，奥格雅生物气候设计方法的3个环境调节的步骤，班哈姆的环境排斥型设计和环境选择型设计，都会浮现眼前：正所谓殊途同归，异曲同工。不论是理论研究的推演，还是实践积累的升华，不论外国还是中国，也不论是否50年前或者现在，建筑师应对环境的策略和态度，终归会走到一条路径上。就像探讨“什么形体的建筑是节能型建筑”一样，脑海中必然会现出环境排斥型设计提倡的建筑模样，而这一看似科学上正确的结论，却可能无助于环境品质的提升，无益于建筑师的创造性工作。毫无疑问，关注环境的建筑师将选择后者，因为通过对建筑外围护结构、设备等系统的控制，环境选择型设计能够得到既节能，又具有良好的环境品质和建筑品质的设计。

为帮助建筑师了解和采用环境选择型设计，霍克斯提出了一个包括13项内容的核查单[3]：

（1） 场地分析：气候、微气候（地形、城市化程度、植被）、太阳轨迹、风环境、污染；

（2） 场地规划：建筑间距、微气候、混合应用和人的活动；

（3） 建筑形式：可用被动策略之处以及不可用被动策略之处、定位、内部设计；

（4） 天井和院落：热工性能缓冲、天光、自然通风；

（5） 建筑功能：使用模式和使用者行为、建筑环境需求、内部产热和采光标准；

（6） 建筑肌理：隔热和U值、蓄热物质、材料的蕴能量和毒性；

（7） 天光照明：自然采光和日照参数、配光曲线、眩光分布、视野、私密性和热工平衡；

（8） 被动式太阳能得热：可以利用的太阳能得热、分布、控制和舒适；

（9） 自然通风： 风压和烟囱效应、夜间通风制冷、噪音和空气污染控制；

（10） 过热和舒适：窗户的尺寸、遮阳设备、自然通风策略、蓄热物质；

（11） 人工光照明：光控系统—人工或自动、光源和灯具、功效和内部得热；

（12） 供热：能量来源和机组、散热器、热量分配、地点；

（13） 设备：是否需要空调系统，机械通风系统，混合模式和空调分区、整合。

核查单的目的是引导建筑师尽可能整体地思考环境和建筑问题。此外可以根据具体情况，或者新技术的产生而有所调整，例如，雨水利用技术，智能控制技术等。但这是一个乐于被建筑师接纳和采用的技术模板。因为它确实可以引导建筑师从设计上关注环境，进而发挥创造力，进行深入、有品质、有意义的环境设计研究。

例如第13项跟“设备”相关的核查单，首先提到的是“是否需要空调系统”。因为如果不用，毫无疑问会最大限度地节约能源，是否可以通过被动式设计策略获得建筑内部的舒适度？或者调整舒适范围的温度？如果建筑遮阳设计良好，采用了高蓄热材料，且平面进深很小，便于自然通风、采光，那么空调系统就可以减量到最小。其次提到的“机械通风系统”，其存在的目的，也是通过机械通风设备，提供新风，通过热散失和蒸发制冷，达到调节温度，摈弃空调系统的作用。第3条“混合模式和空调分区”，是指根据建筑功能和布局等，划分必须采用空调和不必采用空调的区域，分别采用不同的环境调节策略。第4条“整合”，则是强调无论可见还是不可见，系统设备整合对于好的设计非常重要。不同空调系统，占用的空间和需要的管道空间和长度等是截然不同的。

用霍克斯的一句话作为结尾，或许可以促进我们对于当今中国绿色建筑摸索于设计与技术结合的思考：“恰恰是现代运动，现代运动是丰富的和复杂的，它被文化的所有方面感动，建筑师通过将新技术和科学思维应用到新美学的研究做出了特别的贡献。尽管欧洲不同建筑师作品多样，但是大量证据显示新技术和建筑设计的结合不必然要求一定是技术决定论。”[7]□

[1] Reyner Banham. The Architecture of the Well-Tempered Environment. London: Architectural Press, 1969.

[2] Dean Hawkes. The Environmental Tradition: Studies in the Architecture of Environment. London: E & FN Spon. 1996.

[3] Dean Hawkes, Jane McDonald and Koen Steemers. The Selective Environment: An Approach to Environmentally Responsive Architecture. London: Spon Press, 2002.

[4] Victor Olgyay. Design with Climate: Bioclimatic Approach to Architectural Regionalism. Princeton University Press, Princeton New Jersey, 1963.

[5] Baruch Givoni, Man. Climate and Architecture. Applied Science, London, 1969.2nd edn 1976.

[6] 宋晔皓.结合自然 整体设计：注重生态的建筑设计研究. 北京：中国建筑工业出版社，2000.

[7] Dean Hawkes. The Environmental Imagination: Technics and Poetics of the Architectural Environment. London: Routledge, 2008.

Technology and Design with Environmentally Responsive Consideration

In this article the author reviewed the combination of technology and design by famous architects and formulated two design patterns, namely the exclusive and selective design, which were developed by Reyner Banham and Dean Hawkes upon the research by Victor Olgyay. Then the author pointed out that selective design is the way for environmentally responsive architects.

technology, design, exclusive, selective, environmentally responsive

清华大学建筑学院，生态规划与绿色建筑教育部重点实验室（清华大学）

2015-07-01